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1 第1章计算机网络概论 计算机网络基础教程 2 本章内容 1 1计算机网络基本概念1 2计算机网络的产生与发展1 3计算机网络体系结构1 4制定网络标准的国际组织 3 本章知识点 重点掌握计算机网络的定义 计算机网络的组成 了解计算机网络的分类 掌握网络的拓扑结构 了解计算机网络的产生和发展 重点掌握计算机网络的体系结构 OSI体系结构 TCP IP体系结构 了解与网络相关的一些制定标准的国际组织 4 1 1计算机网络基本概念 1 1 1计算机网络的定义1 1 2计算机网络的组成与分类1 1 3计算机网络的拓扑结构 5 1 1 1计算机网络的定义 什么是计算机网络 计算机网络的一般定义 所谓计算机网络就是利用通信设备和线路将地理位置不同 功能独立的多个计算机系统互连起来 并通过功能完善的网络软件实现网络中资源共享和信息传递的系统 6 1 1 1计算机网络的定义 2 计算机网络定义的要点 1 网络中的连接对象是功能独立的计算机 功能独立是指该计算机即使不连网也具有信息处理能力 2 网络的连接方式是 利用通信设备和线路 进行连接 3 网络的作用是 实现网络中资源的共享和信息传递 网络中资源主要指计算机硬件 软件和数据资源 4 网络的实现需要 功能完善的网络软件 7 1 1 2计算机网络的组成与分类 1 计算机网络的组成 通信子网 资源子网 返回 8 1 1 2计算机网络的组成与分类 2 组成计算机网络的三要素 若干计算机 用来向使用者提供服务 一个通信子网 由通信设备和线路组成 一系列的协议 协调主机之间或主机和子网之间的通信 计算机网络由资源子网和通信子网两部分组成 通信子网负责全网的信息传递 资源子网则负责信息处理 向网络提供可用的资源 9 1 1 2计算机网络的组成与分类 3 2 计算机网络的分类 1 按网络的覆盖范围进行分类 广域网WAN WideAreaNetwork 局域网LAN LocalAreaNetwork 城域网MAN MetropolitanAreaNetwork 2 按网络的使用范围进行分类 公用网 publicnetwork 专用网 privatenetwork 3 按网络采用的交换方式进行分类 电路交换 报文交换 分组交换 混合交换 10 1 1 3计算机网络的拓扑结构 网络拓扑结构是指网络的形状 或者是它在物理上的连通性 基本的拓扑结构有五种 星型 总线型 环型 树型和网状 11 1 1 3计算机网络的拓扑结构 2 1 星型拓扑特点 所有计算机都通过通信线路直接连接到中心交换设备上优点是结构简单缺点是如果中心交换设备故障 则整个网络将瘫痪 12 1 1 3计算机网络的拓扑结构 3 2 总线型拓扑特点是所有计算机公用一条通信线路 任意时刻只能有一台计算机发送数据 否则将会产生冲突 优点是结构简单 使用的电缆少 缺点是这条通信总线的任何一点出现故障 整个网络将瘫痪 13 1 1 3计算机网络的拓扑结构 4 3 环型拓扑特点是所有计算机公用一条首尾相连成闭合环的通信线路 环可以是单向的 也可以是双向的 单向的环型网络 数据只能沿一个方向传输 14 1 1 3计算机网络的拓扑结构 5 4 树型拓扑特点是形状象一棵倒置的树 顶端是树根 树根以下带分支 每个分支还可再带子分支 其中树根和分支点为网络交换设备 优点是易于扩展 15 1 1 3计算机网络的拓扑结构 6 5 网状拓扑节点之间有多条线路相连 所以网络的可靠性较高 由于结构比较复杂 建设成本较高 16 1 1 3计算机网络的拓扑结构 7 网络拓扑结构的用途不同的拓扑结构往往采用不同的网络技术 了解网络采用的拓扑结构对管理和维护网络十分有用 特别是当网络出现故障时 通过分析拓扑结构可以很快找出问题并加以解决 17 1 2计算机网络的产生与发展 1 2 1计算机网络的产生1 2 2计算机网络的发展阶段 18 1 2 1计算机网络的产生 20世纪50年代 产生了计算机网络的雏形 远程联机系统 由一台计算机连接多台终端组成 允许多人同时使用一台计算机 特别是远程使用 终端 设备比较简单 由显示器 键盘和简单的通信硬件组成 终端通过通信线路与主计算机相连 其作用是将远地用户通过键盘输入的命令和数据传送给主计算机 将主计算机的执行结果回送终端并在屏幕上显示 由于终端不具有独立的处理能力 因此远程联机系统并不是真正意义上的计算机网络 19 1 2 1计算机网络的产生 2 20世纪60年代 出现了真正符合定义的计算机网络 该项目由美国军方的先进研究项目局 ARPA 负责 1969年底试验系统建成 命名为ARPANET 它就是Internet的前身 ARPANET是广域网 首次采用分组交换技术 是计算机网络发展史上的里程碑 1973年美国施乐公司 Xerox 发明了第一种实用的局域网技术 命名为以太网 Ethernet 局域网在技术上与广域网不同 是当时传输速度较快的计算机网络技术之一 连图 20 1 2 2计算机网络的发展阶段 计算机网络的发展可以概括为三个主要阶段 计算机网络的产生阶段 多标准共存的蓬勃发展阶段和具有统一标准的互连网阶段 21 1 3计算机网络体系结构 1 3 1网络体系结构基础1 3 2OSI的体系结构1 3 3TCP IP体系结构 22 1 3 1网络体系结构基础 1 网络协议通过通信设备和线路连接起来的计算机要想做到有条不紊地交换数据 就必须遵循事先约定的一组规则 这些规则明确规定了所交换的数据的格式以及有关的同步问题 为进行网络中的数据交换而建立的规则 标准或约定 就称为网络协议 23 1 3 1网络体系结构基础 2 一个网络协议由三要素组成 语法 即数据和控制信息的结构或者格式 语义 即需要发出何种控制信息 完成何种动作以及做出何种应答 同步 事件实现顺序的详细说明 24 1 3 1网络体系结构基础 3 2 层次化的网络体系结构计算机网络通常包含一组网络协议 把它们按层次结构进行组织 每个层次可以包含若干个协议 层和层之间定义了信息交互接口 某个层次中的协议即可以为上层协议提供服务 也可以使用下层协议提供的服务 25 1 3 1网络体系结构基础 4 计算机网络体系结构的定义 计算机网络的各层及其各层协议的集合 称为网络的体系结构 计算机网络的体系结构是对如何划分层次 层次之间的关系及各层包含那些协议的精确定义 26 1 3 1网络体系结构基础 5 3 协议和服务的关系实体 表示任何可发送或接收信息的硬件或软件 服务访问点 在同一系统中相邻两层的实体进行交互 即交换信息 的地方 通常称为服务访问点SAP serviceAccessPoint 服务原语 上层使用下层所提供的服务必须通过与下层交换一些命令来实现 这些命令称为服务原语 27 1 3 1网络体系结构基础 6 重新给出协议的定义 协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集合 28 服务用户 服务用户 服务提供者 下层 上层 提供服务 协议 在对等层实体间传送的数据的单位都称为该层的协议数据单元PDU ProtocolDataUnit 层与层之间交换的数据的单位称为服务数据单元SDU ServiceDataUnit 29 1 3 2OSI的体系结构 OSI是开放系统互连基本参考模型 OpenSystemInterconnectionReferenceModel 的简称 开放 的含义表示只要遵循OSI的标准 一个系统就可以和位于世界上任何地方 也遵循同一标准的其他任何系统进行通信 30 1 各层的功能 1 物理层 也称为物理层接口 其功能是控制计算机与传输媒体的连接 即可以建立 保持和断开这种连接 以保证比特流的透明传输 物理层传送的数据单位是比特 又称位 物理媒体 如双绞线 同轴电缆 光缆等 不属于物理层 2 数据链路层 它的任务是在两个相邻结点间的线路上无差错地传送数据 数据链路层就把一条有可能出错的实际链路 转变成让网络层向下看起来好像是一条不出错的链路 实现了在不可靠的实际链路上进行可靠的数据传输 数据链路层传输的数据单位是帧 31 3 网络层 网络层的主要功能就是为整个网络中的计算机进行编址 并自动根据地址找出两台计算机之间进行数据传输的通路 也称为路由选择 网络层所传送的信息单位叫做分组或包 通信子网实际上由物理层 数据链路层和网络层这三个层次构成 4 运输层 有了运输层 高层用户就可利用运输层的服务直接进行主机到主机的数据传输 根据通信子网的特性 最佳地利用网络资源 为两端的主机之间建立一条可靠地运输连接 透明地传送报文 运输层的任务就是负责主机中两个程序之间的通信 运输层数据传送的单位是报文 32 5 会话层 任务就是提供一种有效的方法 以组织并协商两个表示层进程之间的会话 并管理它们之间的数据交换 6 表示层 主要解决用户数据的语法表示问题 其功能是对数据格式和编码的转换 以及数据结构的转换 此外还解决数据加密问题 7 应用层 是OSI参考模型的最高层 是直接向用户应用程序提供服务的层次 应用层提供的是特殊的网络应用服务 如邮件服务 文件传输服务等 33 2 OSI层次结构中数据的流动 应用程序数据 1010011 比特流 010111010 AP1 AP2 7 6 5 4 3 2 1 7 6 5 4 3 2 1 物理传输媒体 计算机1 计算机2 1010011 比特流 010111010 应用程序数据 下一页 34 1 3 3TCP IP体系结构 ICMP IP ARP RARP 网络接口层 与各种网络接口 网际层 运输层 应用层 TCP UDP 各种应用层协议TELNET FTP SMTP等 1物理层 OSI 7应用层 6表示层 5会话层 4运输层 3网络层 2数据链路层 35 1 3 3TCP IP体系结构 2 TCP IP协议簇分为四个层次 分别是应用层 运输层 网际层和网络接口层 TCP IP体系结构中不包含数据链路层和物理层 这是因为在设计时考虑TCP IP应能用于各种网络的互连 使用其他网络的数据链路层和物理层就可以了 因此将最低一层取名为网络接口层 应用层 是TCP IP体系结构的最高层 在该层中有许多著名协议 如远程登录协议TELNET 文件传送协议FTP 简单邮件传送协议SMTP等 36 1 3 3TCP IP体系结构 3 运输层 是主机到主机的层次 该层使用两个不同的协议为网络用户提供服务 一个是面向连接的传输控制协议TCP 提供可靠的数据传输服务 另一个是无连接的的用户数据报协议UDP 提供尽最大努力交付服务 网际层 该层的主要协议是网际协议IP 也就是在该层实现了不同网络的互连 著名的IP地址就是IP协议的组成部分之一 与网际协议IP配合使用的还有三个协议 Internet控制报文协议ICMP 地址解析协议ARP和反向地址解析协议RARP 37 1 4制定网络标准的国际组织 网络标准就是文档化的协议 其中包含了关于该协议设计或实施的技术规范 38 第2章数据通信基础与物理层 计算机网络基础教程 39 主要内容 2 1数据通信基本概念2 2数据交换技术2 3传输媒体2 4网络结构化布线简介2 5物理层协议 40 本章知识点 掌握数据通信中的一些基本功念 信号 信道 带宽 全双工 单工 半双工 信号编码 复用技术掌握数据交换技术 电路交换 分组交换掌握物理层概念及标准 41 2 1数据通信基本概念 2 1 1信号 信道与带宽2 1 2并行 串行传输2 1 3单工 半双工和全双工2 1 4同步方式2 1 5基带传输与数字信号编码2 1 6频带传输与模拟信号编码2 1 7多路复用技术 42 2 1 1信号 信道与带宽 数据是信息的表现方式 数据可以是一些连续值 如声音的强度 灯光的强度灯 称作模拟数据 数据还可以是离散值 如成绩 称作数字数据 数据通信是依照通信协议 利用数据传输技术在两个功能单元之间传递数据信息 数据通信是通过某种类型的介质把数据从一个地点向另一个地点传送的通信方式 当进行传输时 首先还必须把数据转变为信号 43 2 1 1信号 信道与带宽 信号是指表示数据的电磁编码或电子编码 信号 模拟信号 是随时间而连续变化的电磁波 数字信号 是离散的 是一串电压脉冲序列 44 2 1 1信号 信道与带宽 信道由传输介质及相应的附属设备组成 是传输信号的一条通道 信道分成传送模拟信号的模拟信道和传送数字信号的数字信道两大类 信道的带宽指的是信道中能够传送的信号的频率范围 45 2 1 2并行 串行传输 1 并行传输并行传输是指数据以成组的方式在多个并行信道上同时进行传输 通常将构成一个字符代码的几位都在同一个时刻发送出去 因此需要多条并排的信道 字符代码的每一位各占一条信道 优点是传送速率高 缺点是需要多个并行信道 费用较高 仅适合近距离传输 46 2 1 2并行 串行传输 2 串行传输串行传输指的是一个字符代码的几位顺序按位排列成比特流 逐位在一条信道上传输 串行传输的速率不高 但所需设备成本低 易于实现 广泛用于远程数据通信中 47 2 1 3单工 半双工和全双工 1 单工通信单工通信指的是数据信号始终沿一个方向传输 单工通信中的双方 一方永远是发送方 另一方永远是接收方 2 半双工通信半双工通信是指通信双方都可以发送 或接收 数据 但不能同时双向发送 3 全双工通信全双工通信是指通信双方可以同时发送和接收信数据 即数据可以同时作双向传输 48 2 1 4同步方式 数据传输的同步就是从发送方连续不断送来的信号中 接收方如何正确区分出每一个代码 串行传输中所采用的同步方式有两种 同步传输方式和异步传输方式 49 2 1 4同步方式 1 异步传输方式异步传输方式又称起止式同步方式 它是以字符为单位进行同步 即每个字符都独立传输 且每一个字符的起始时刻可以是任意 每个字符在传输时都前后分别加上起始位和结束位 以表示一个字符的开始和结束 起始位和结束位的作用是实现字符同步 字符之间的间距是任意的 但发送一个字符时 每个字符包含的位数都是相同的 且每一位占用的时间长度是双方约定好的 而且保持各位都恒定不变 50 在异步传输方式中 当不传字符时 不要求收发时钟同步 而仅在传输字符时 收发时钟才需在字符的每一位上都同步 优点是每一个字符本身就包括了本字符的同步信息 不需要在线路两端设置专门的同步设备 使收发同步简单 缺点是每发一个字符就要添加一对起止信号 造成线路的附加开销 降低了传输效率 2 1 4同步方式 51 2 同步传输同步传输方式是以固定的时钟节拍来发送数据信号 数据各位的宽度相同 且字符顺序相连 字符之间没有间隙 为使接收方能够从连续不断的数据流中正确区分出每一位 比特 则需首先建立收发双方的同步时钟 在同步传输中 数据的发送一般是以一组数据或比特流为单位 在每组数据的前后加上特定字符作为起始和结束标志 同时还可以用这些标志来区分和隔离连续传输的数据 同步传输克服了异步传输方式中的每一个字符都要附加起止信号的缺点 具有较高的效率 但实现较为复杂 常用于高速数据传输 2 1 4同步方式 52 2 1 5基带传输与数字信号编码 1 基带传输基带传输就是对基带信号不加调制而直接在线路上进行传输 它将占用线路的全部带宽 也称为数字基带传输 2 数字信号编码使用基带传输时 首先要解决信号的编码问题 数字信号编码的问题就是如何把数字数据用物理信号 如电信号 的波形来表示 数字信号是离散的 不连续的电压或电流的脉冲序列 每个脉冲代表一个信号单元 或称码元 二进制的数据信号 要用两种码元表示 53 1 单极性全宽码和双极性全宽码单极性全宽码指的是在每一码元时间间隔内 有电流发出表示二进制的1 无电流发出则表示二进制的0 双极性码全宽码是指在每一码元时间间隔内 发正电流表示二进制的1 发负电流表示二进制的0 2 1 5基带传输与数字信号编码 54 2 单极性归零码和双极性归零码单极性归零码是指在每一码元时间间隔内 当发1时 发出正电流 但是发电流的时间短于一个码元的时间 就是说 发一个窄脉冲 当发0时 仍然完全不发送电流 双极性归零码是在每一码元时间间隔内 当发1时 发出正的窄脉冲 当发0时 发出负的窄脉冲 2 1 5基带传输与数字信号编码 55 3 曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码曼彻斯特编码的编码方法是将每一个码元再分成两个相等的间隔 码元1是在前一个间隔为高电平而后一个间隔为低电子 码元0则正好相反 从低电平变到高电平 差分曼彻斯特编码的编码规则是 若码元为1 则其前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平一样 但若码元为0 则其前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相反 不论码元是1或0 在每个码元的正中间的时刻 一定要有一次电平的转换 2 1 5基带传输与数字信号编码 56 2 1 6频带传输与模拟信号编码 1 频带传输频带信号传输方式就是将二进制信号进行调制后变换成能在公用电话网上传输的模拟信号 然后进行传输 2 数字数据的模拟信号编码模拟信号传输的基础是载波 它是频率恒定的连续信号 57 调制就是进行波形变换 是利用基带信号对高频振荡载波的参量进行修改 最常用的载波是正弦波 通过对载波的振幅 频率 初相位进行修改 就有三种最基本的调制方法 调幅 调频和调相 1 调幅 AM 载波的振幅随基带数字信号而变化 也称为幅移键控ASK 2 调频 FM 载波的频率随基带数字信号而变化 又称为频移键控FSK 3 调相 PM 载波的初始相位随基带数字信号而变化 又称为相移键控PSK 2 1 6频带传输与模拟信号编码 58 2 1 7多路复用技术 为了有效地利用通信线路 就希望一个信道能同时传输多路信号 这就是所谓多路复用的概念 59 1 频分复用频分多路复用技术 FDM 是按照频率不同来区分信号的一种方法 把传输频带分成若干个较窄的频带 每个频带构成一个子通道 独立地传输各自的信息 频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源 频带1 频带2 频带3 频带4 时间 频率 2 1 7多路复用技术 60 2 时分复用时分复用 TDM 是将一条线路的工作时间划分为一段段等长的时分复用帧 TDM帧 每一个TDM帧中再划分成若干时间片 每一个时分复用的用户在每个TDM帧中占用固定序号的时间片 来使用公共线路 时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度 2 1 7多路复用技术 61 统计时分复用STDM使用STDM帧来传送复用的数据 但每一个STDM帧中划分的时间片的数目要小于进行复用的用户数 每一帧中的时间片不再是固定分配给某个用户 而是按需动态地给每个用户分配时间片 因此统计复用又称为异步时分复用 而普通的时分复用称为同步时分复用 2 1 7多路复用技术 62 3 波分复用波分复用 WDM 就是光的频分复用 是把光的波长分割复用 在一根光纤中同时传输多波长光信号的一项技术 在一根光纤上复用两路光信号 这种复用方式称为波分复用WDM 随着光纤通信技术的发展 在一根光纤上复用的路数越来越多 这就是密集波分复用DWDM的概念 2 1 7多路复用技术 63 2 2数据交换技术 2 2 1电路交换2 2 2分组交换和报文交换2 2 3交换技术的比较 64 在进行数据通信时 必须通过有中间节点的网络来把数据从源端点发送到目的端点 以此实现通信 这些中间的节点就是一些交换设备 它们不关心数据内容 而只是提供一个传递功能 交换设备以某种方式用传输链线路相互连接起来就构成交换网络 从通信资源的分配角度来看 交换 就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源 65 2 2 1电路交换 电路交换属于电路资源预分配系统 即每次通信时 通信双方都要连接电路 电路被分配给一对固定用户 那么 不管该电路上是否有数据传送 其他用户一直不能使用该电路直至通信双方要求拆除此电路连接为止 电路交换的关键点是 在通信的全部时间内用户始终占用端到端的固定传输带宽 电路交换的优点是数据传输可靠 迅速 不丢失 电路交换的缺点是 通信线路的利用率较低 不同类型 不同规格 不同速率的终端难以互相进行通信 不够灵活 66 2 2 2分组交换和报文交换 分组交换采用的是存储转发技术 存储转发指结点交换机将收到的数据先放入结点内的缓存 根据网络上线路的闲忙状态 以及结点内部的路由表 然后确定将数据交给某个端口转发出去到下个节点 什么是分组呢 将需要发送的整块数据称之为一个报文 在发送报文之前 先将较长的报文划分成为一个个更小的等长数据段 在每一个数据段前面 加上首部后 就构成了一个分组 分组又可以称为 包 而首部也可称为 包头 67 采用分组交换 在源端点与目的端点之间不需要先通过呼叫建立连接 主机直接把分组发送到交换节点 由于每个分组都携带地址信息 因此每个交换节点收下整个分组后 会根据分组的目的地址信息找到下一个节点的地址 然后把分组发送到下一个节点 一直逐个节点地转送到目的主机 2 2 2分组交换和报文交换 68 采用存储转发的分组交换 实质上是采用了在数据通信过程中动态分配传输带宽的策略 使得通信线路的利用率大大提高 报文交换也采用存储转发技术 其工作原理与分组交换相同 但报文的长度要比分组长得多 因此每个节点在竞争性存储转发时 不仅使用存储器 还要使用到磁盘才能存储整个报文 这样报文交换在每个节点的滞留时间就较大 导致报文交换的时延较长 2 2 2分组交换和报文交换 69 2 2 3交换技术的比较 若要连续传送大量的数据 而且传送时间远大于呼叫建立时间 则采用在数据通信之前预先分配传输带宽的电路交换较为合适 报文交换和分组交换不需要预先分配传输带宽 在传送突发数据时可提高整个网络的信道利用率 分组交换比报文交换的时延小 但其节点交换机必须具有更强的处理能力 70 2 3传输媒体 2 3 1双绞线2 3 2同轴电缆2 3 3光纤2 3 4无线传输 71 传输媒体可分为两大类 即有向传输媒体与无向传输媒体 有向传输媒体包括双绞线电缆 同轴电缆和光缆 信号沿着介质的方向传播并被局限在其物理边界内 无向传输媒体 是将信号通过自由空间传播出去 从而使任何一个具有接收设备的人都能接收它 72 2 3 1双绞线 双绞线是把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起 然后用规则的方法绞合起来而构成的 绞合可以减少对相邻导线的电磁干扰 通常将一定数量的这种双绞线捆成电缆 在其外面包上硬的护套构成双绞线电缆 双绞线有两类 非屏蔽双绞线UTP和屏蔽双绞线STP 为了提高双绞线的抗电磁干扰的能力 可以在双绞线的外面再加上一个用金属丝编织成的屏蔽层 这就是屏蔽双绞线 简称为STP 普通的非屏蔽双绞线电缆是由不同颜色的4对8芯线组成 通常被分为 3类 4类 5类 超5类 6类双绞线等类型 数字越大 版本越新 技术越先进 带宽也越宽 73 2 3 2同轴电缆 同轴电缆由一个中心的铜值导线或是多股绞合线外包一层绝缘皮 再包上一层金属网状编织的屏蔽体以及保护塑料外层共同组成 74 同轴电缆按照特性阻抗数值的不同可分为两种 一种是50 的同轴电缆 是为数据通信传送基带数字信号 50 同轴电缆又称为基带同轴电缆 50 的同轴电缆又有粗缆和细缆之分 计算机网络中常用的有RG 8粗缆和RG 58细缆 另一种是75 的同轴电缆 用于模拟传输系统 它是有线电视系统CATV中的标准传输电缆 在这种电缆上传送的信号采用了频分复用的宽带信号 所以75 同轴电缆又称为宽带同轴电缆 2 3 2同轴电缆 75 2 3 3光纤 光纤是由非常透明的石英玻璃拉成丝 外面加上包层而构成 并以光波形式传输信号 光纤通信就是利用光纤传递光脉冲来进行通信 有光脉冲相当于1 而没有光脉冲相当于0 76 光纤的类型有两种 多模光纤和单模光纤 存在许多条不同角度入射的光线在 条光纤中传输 这种光纤就称为多模光纤 光纤的直径减小到只有一个光的波长 则光线就以直线方式向前传播 而不会产生多次反射 这种光纤就称为单模光纤 单模光纤 多模光纤 2 3 3光纤 77 2 3 4无线传输 无线电微波通信在数据通信中占有重要的地位 微波的频率范围为300MHz 300GHz 但主要是使用2 40GHz的频率范围 微波通信就有两种主要的方式 即地面微波接力通信和卫星通信 78 1 地面微波接力通信由于微波在空间是直线传播 而地球表面是个曲面 因此其传播距离受到限制 为实现远距离通信必须在一条无线电通信信道的两个终端之间建立若干个中继站 中继站把前一站送来的信号经过放大后再发送到下一站 所以称为 接力 两个地面站之间传送 距离为50 100km 2 3 4无线传输 79 2 卫星通信常用的卫星通信方法是在地球站之间利用位于3万6千公里高空的人造同步地球卫星作为中继器的一种微波接力通信 通信卫星就是在太空的无人值守的微波通信的中继站 2 3 4无线传输 80 2 4网络结构化布线简介 所谓结构化布线系统 其实质就是指建筑物或建筑群内所安装的传输线路 这些传输线路将所有的语音设备 数据通信设备 图像处理与安全监视设备 交换设备和其他信息管理系统彼此相连 并按照一定秩序和内部关系组合成为整体 结构化布线系统是使用一套标准的组网部件 按照标准的连接方法来实现的网络布线系统 目前所说的结构化布线系统还是以通信自动化为主的综合布线系统 是智能化建筑的基础 81 2 4网络结构化布线简介 2 4 1结构化布线系统组成2 4 2结构化布线系统中的传输媒体2 4 3结构化布线中的连接部件2 4 4结构化布线系统标准 82 2 4 1结构化布线系统组成 结构化布线系统的可以由工作区子系统 水平布线子系统 垂直干线子系统 管理子系统 设备间子系统和建筑群子系统组成 83 2 4 1结构化布线系统组成 1 工作区子系统工作区子系统是由终端设备到信息插座的连线组成 就是从通信的引出端到工作站之间的连接线 它主要包括与用户设备连接的各种信息插座和相关配件 目前最常用配备非屏蔽双绞线的RJ 45插座 RJ 11电话连接插座 图像信息连接插座以及连接这些插座与终端设备之间的连接软线和扩展连接线等 84 2 水平布线子系统水平布线子系统又称分支干线子系统或叫水平干线子系统 它的一端来自垂直干线的楼层配线间 即管理子系统 的配线架 另一端与工作区的用户信息插座相连接 水平布线子系统所采用的传输媒体有光缆 同轴电缆和双绞线等 目前光缆和双绞线使用得最多 水平布线子系统的布线通常有暗管预埋 墙面引线 或地下管槽 地面出线两种 85 3 垂直干线子系统垂直干线子系统也有称作干线子系统 是高层建筑垂直连接的各种传输媒体的组合 通过垂直连接系统将各个楼层的水平布线子系统连接起来 它是结构化布线的骨干部分 可以是光缆 同轴电缆或大对数双绞线 以满足数据与话音的需要 垂直干线系统的布线 一般是垂直安装 86 4 管理子系统管理子系统由各个楼层的配线架构成 实现垂直子系统与水平布线子系统之间的连接 管理子系统也称配线系统 可灵活调整一层中各个房间的设备移动和网络拓扑结构的变更 通过该系统能够将一个用户端子调控到另一个用户端子或设备上 也可以将某一个水平布线子系统调整到另一个水平布线子系统 整个网络系统需要调控布线时或用户有什么变更 都可以通过配线架上的跳线实现重新布线的连接顺序 管理子系统常用的设备包括双绞线配线架或跳线板 光缆配线架或跳线系统 集线器 适配器和光缆的光电转换设备等 87 5 设备间子系统设备间子系统是一幢楼中集中安装大型通信设备 主机 网络服务器 网络互连设备和配线接续设备的场所 6 建筑群子系统建筑群子系统是将一个建筑物中的电缆延伸到建筑群的另一些建筑物中的通信设备和装置上 建筑群子系统也有叫户外子系统 建筑群子系绕支持提供楼群之间通信所需要的硬件 例如有光缆 同轴电缆或双绞线等传输媒体 88 2 4 2结构化布线系统中的传输媒体 在计算机网络的结构化布线系统中 最常用的传输媒体有双绞线 同轴电缆 光纤电缆 微波和卫星通信等 双绞线的价格便宜 安装方便 性能可靠 与配线架或接续设备的连接也非常方便 同轴电缆与双绞线相比价格稍高 具有容量大 数据速率高和传输距离远等特定 但由于连接器件的可靠性不高 在目前计算机网络的布线中较少被采用 由于光缆低噪声 低损耗 抗干扰等性能 被应用于在远距离传输中 89 2 4 3结构化布线中的连接部件 1 配线架配线架是由各种各样的跳线板与跳线组成 它能够方便地调整各个区域内的线路连接关系 2 双绞线连接设备双绞线布线系统中的连接部件主要是RJ 45 除此之外就是用户的信息接插座或叫通信引出端子 由此以便与终端设备相连接 3 同轴电缆连接设备4 光缆连接设备 90 2 4 4结构化布线系统标准 EIA TIA568商业建筑电信布线标准 ISO IEC11801建筑物通用布线的国际标准 EIA TIATSB 67非屏蔽双绞线系统传输性能验收规范 EIA TIA569民用建筑物通信通道和空间标准 EIA TIA民用建筑中有关通信接地标准 EIA TIA民用建筑通信管理标准 我国于1995年3月颁布并批准 建筑与建筑群综合布线系统工程设计规范 标准即CECS92 97建筑与建筑群综合布线系统工程设计规范 EIA TIA ElectronicIndustriesAssociation TelecommunicationIndustryAssociation 电子工业协会 电信工业协会 的缩写 91 2 5物理层协议 2 5 1物理层的基本概念2 5 2物理层标准举例 92 2 5 1物理层的基本概念 物理层协议主要规定物理信道的建立 维持及释放的特性 这些特性包括机械的 电气的 功能的和规程的四个方面 这些特性保证物理层能通过物理信道在相邻网络节点之间正确地收发比特流 物理层的数据传输单位为比特 bit OSI对物理层的定义为 在物理信道实体之间合理地通过中间系统 为比特传输所需的物理连接的激活 保持和去除提供机械的 电气的 功能和规程的手段 原CCITT 现ITU T 作的定义 利用物理的 电气的 功能的和规程的特性在DTE和DCE之间实现对物理信道的建立 保持和拆除功能 93 2 5 1物理层的基本概念 DTE叫做数据终端设备 是具有一定的数据处理能力以及发送和接收数据能力的设备 是数据的源或目的 DCE是数据电路终接设备 作用是在DTE和传输线路之间提供信号变换和编码的功能 并负责建立 保持和释放数据链路的连接 94 2 5 1物理层的基本概念 DTE和DCE之间的接口一般都包含多条信号线和控制线 DCE将DTE传过来的数据按比特顺序逐个发往传输线路 将收到的比特流交给DTE 物理层的主要任务就是确定与传输媒体相连的接口的机械特性 电气特性 功能特性和规程特性 95 2 5 1物理层的基本概念 机械特性 指明接口所用接线器的形状和尺寸 引线数目和排列 固定和锁定装置等 电气特性 指明在接口引线上出现的电压范围 功能特性 指明某条引线上出现的某一电平的电压表示何种意义 规程特性 指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序 96 2 5 2物理层标准举例 1 EIA 232 E接口的机械特性EIA 232接口只控制DTE与DCE之间的通信 与连接在两个DCE间的电话网络没有直接的关系 EIA 232 E接口的机械特性 使用DB 25插座 或DB 9 引脚分为上下两排 12 13 编号 1 13 14 25 插头安装在DTE上 插座安装在DCE上 97 2 5 2物理层标准举例 EIA 232 E接口的电气特性 与CCITT的V 28建议书一致 采用负逻辑 逻辑0 大于或等于 3v逻辑1 小于或等于 3v逻辑0相当于数据的 0 在控制线表示 接通 状态 逻辑1相当于数据的 1 在控制线表示 断开 状态 当连接电缆长度不超过15米时 速率可达20kb s EIA 232 E接口的功能特性 规定了25根引脚各与哪些电路连接以及每个引脚的作用 98 2 5 2物理层标准举例 EIA 232 E接口的规程特性 规定了在DTE与DCE之间所发生的事件的合法序列 99 2 5 2物理层标准举例 当两台计算机通过EIA 232E接口直接相连时 可采用虚调制解调器的方法 所谓虚调制解调器就是一段电缆 其中的连线交叉 计算机插头 计算机插头 插座 插座 100 2 5 2物理层标准举例 2 RS 449接口标准EIA 232接口标准的缺点 数据的最高传输速率为20kbs 连接电缆的最大长度为15m EIA于1977年制定了新的接口标准RS 449 RS 449主要由三个标准组成 RS 449 规定了接口的机械特性 功能特性和规程特性 RS 423 A 电气特性 采用非平衡工作方式时 电缆长度为10m时速率可达300kb s 非平衡传输是指所有的电路共用一个公共地RS 422 A 电气特性 采用平衡工作方式时 电缆长度为60m时速率可达2Mb s 平衡传输是指所有的电路没有公共地 101 第3章局域网技术 计算机网络基础教程 102 本章内容 3 1数据链路层基础3 2局域网的体系结构3 3以太网标准3 4以太网设备与相关技术3 5无线局域网3 6其他局域网技术 103 本章知识点 掌握数据链路层概念和协议掌握HDLC协议掌握局域网体系结构掌握以太网标准 熟悉以太网相关技术掌握以太网相关的设备了解无线局域网技术和其他非主流局域网技术 104 3 1数据链路层基础 3 1 1数据链路层的基本概念3 1 2链路层协议举例 105 3 1 1数据链路层的基本概念 数据链路层是OSI参考模型中的第二层 它以物理层为基础 向网络层提供可靠的服务 因此要求该层能够建立和维持一条或多条没有数据发送错误的数据链路 并在数据传输完毕能够释放数据链路 链路 是一条无源的点到点的物理线路段 中间没有任何其它的交换节点 数据链路 是在链路上加上了必要的控制规程和实现这些规程的硬件和软件后而构成 数据链路层最重要的作用就是 通过一些数据链路层协议 即链路控制规程 在不太可靠的物理链路上实现可靠的数据传输 106 3 1 1数据链路层的基本概念 数据链路层的主要功能1 链路管理 即数据链路的建立 维持和释放 2 帧同步 是指收方应当能从收到的比特流中准确地区分出一帧的开始和结束在什么地方 数据链路层的数据传送单位是帧 数据一帧一帧传送 3 流量控制 发送方发送数据的速率必须使收方来得及接受 4 差错控制 将数据传输错误控制在规定的范围内 采用的方法主要有 前向纠错和检错重传 5 将数据和控制信息区分开 要有相应的措施使收方能够将它们分开 6 透明传输 既不管所传数据是什么样的比特组合 都应当能在链路上传送 7 寻址 必须保证每一帧都能发送到正确的目的站 107 3 1 1数据链路层的基本概念 1 停止等待协议 1 不需要协议的数据传输在发送方和收方的链路层分别有一个发送缓存和接收缓存 如果进行全双工通信 则在每一方都要同时设有发送缓存和接收缓存 108 3 1 1数据链路层的基本概念 2 具有最简单流量控制的数据链路层协议 为了使收方的接收缓存在任何情况下都不会溢出 最简单的方法就是发方每发送一帧就暂时停下来 收方收到数据后帧后就交付主机 然后发一信息给发方 表示接收任务已完成 这时发方才再发送下一个数据帧 由收方控制发方的数据流量 是计算机网络中流量控制的一个基本方法 109 3 1 1数据链路层的基本概念 3 停止等待协议 收方在收到一个正确的数据帧后 即交付主机 同时向发方发送一个确认帧ACK 收方收到确认帧ACK后才能发送一个新的数据帧 当发现差错时 收方向发方发送一个否认帧NAK 表示发方应当重传出现差错的那个数据帧 要解决死锁问题是让发方发送完一帧就启动一个超时计时器 若到了超时计时器所设置的重传时间仍收不到对方的任何确认帧 则发方就重传前面所发送的这一数据帧 110 3 1 1数据链路层的基本概念 要解决重复帧的问题 必须使每一个数据帧带上不同的发送序号 每发送一个新的数据帧就把它的发送序号加1 若收方收到发送序号相同的数据帧 就表明出现了重复帧 这时应当丢弃这个重复帧 因为已经收到过同样的数据帧并且也交付主机了 但这时收方还必须发送一个确认帧ACK 在停止等待协议中 由于每发送一个数据帧就停止等待 因此只要用一个比特进行编号 数据帧的发送序号就以0和1交替的方式出现在数据帧中 每发送一个新的数据帧 发送序号就和上次的不一样 由于发送端对出错的数据帧进行重传是自动的 所以这种差错控制体制常简称为ARQ AutumaticRepeatrequest 直译是自动重传请求 意思就是自动请求重传 111 3 1 1数据链路层的基本概念 2 连续ARQ协议连续ARQ协议的特点是在发送完一个数据帧后 不是停下来等待确认帧 而是可以连续再发送若干个数据帧 如这时收到了接收端发来的确认帧 就可以接着发送数据帧 收方结点可以有两种选择 一种是在出现差错时就向发方发送否认帧 另一种则是在出现查错时不做任何响应 现在假定采用后一种协议 112 3 1 1数据链路层的基本概念 要注意两点 接收端只按序接收数据帧 虽然在有错的帧后又收到正确的数据帧 但都必须将它们丢弃 发送方在发送完一个数据帧时都要设置超时计时器 只要到了所设置的超时时间仍未收到确认帧 就要重传相应的数据帧 连续ARQ又称为Go back NARQ 即当出现差错必须重传 要向回走N个帧 然后再开始重传 113 3 1 1数据链路层的基本概念 3 滑动窗口协议要在发送端和接收端分别设定发送窗口和接收窗口来进行流量控制 发送窗口用来对发送端进行流量控制 发送窗口的大小WT就代表在还没有收到对方确认信息的情况下发送端最多可以发送多少个数据帧 即用窗口对收到确认之前可以发送的数据帧的数目进行了限制 在发送端只有落入发送窗口的数据帧才能发送出去 发完后如果还没有收到任何确认信息 就不能再发送 114 3 1 1数据链路层的基本概念 接收窗口是为了控制可以接受哪些数据帧而不可以接受哪些数据帧 在接收端只有当收到的数据帧的发送序号落入接收窗口内才允许将该数据帧收下 其他帧一律丢弃 保证帧的接收顺序 在连续ARQ协议中 接收窗口的大小WR 1 接收窗口的规则很简单 1 只有当收到的帧的序号与接收窗口一致时才能接收该帧 否则就丢弃它 2 每收到一个序号正确的帧 接收窗口就向前 即向右方 滑动一个帧的位置 同时向发送端发送对该帧的确认 115 3 1 1数据链路层的基本概念 连续ARQ协议还规定接收端不一定每收到一个正确的数据帧就必须发回 个确认帧 而是可以在连续收到好几个正确的数据帧以后 才对最后一个数据帧发确认 对某一数据帧的确认就表明该数据帧和这以前所有的数据帧均已正确无误地收到了 滑动窗口协议 只有在接收窗口向前移动时 发送窗口才有可能向前移动 由于收发两端的窗口按照一定规律不断向前移动 因此这种协议又称为滑动窗口协议 116 3 1 2链路层协议举例 数据链路层协议分为两大类 面向字符的传输控制规程面向比特的传输控制规程即它们所传信息的基本单位分别是字符和比特 面向字符的链路规程 就是在链路上所传送的数据必须是由规定字符集中的字符所组成 同时 在链路上传送的控制信息也必须由同一个字符集中的若干指定的控制字符构成 如著名的BSC规程 其限制主要是 通信线路的利用率低 所有通信的设备必须使用同样的字符代码 而不同版本的BSC规程要求使用不同的代码 可靠性较差 不易扩展 每增加一种功能就需要设定一个新的控制字符 117 3 1 2链路层协议举例 面向比特的链路规程 取消了字符集的限制 数据可以是任意二进制编码 控制信息由协议规定的二进制编码表示 典型代表IBM公司的SDLCISO把SDLC修改后称为HDLC High levelDataLinkControl 译为高级数据链路控制 作为国际标准ISO3309 我国的相应国家标准是GB7496 CCITT则将HDLC再修改后称为链路接入规程LAP 并作为X 25建议书的一部分 不久 HDLC的新版本又把LAP修改为LAPB B 表示平衡型 所以LAPB叫做链路接人规程 平衡型 118 3 1 2链路层协议举例 1 HDLC适用环境与数据传输方式HDLC两种基本配置 非平衡配置与平衡配置 主站A 从站B 命令 B 响应 B 非平衡配置特点 由一个主站控制整个链路的工作 主站发出的帧叫做命令 受控的各站叫做次站或从站 次站负责执行主站指示的操作 次站发出的帧叫做响应 119 3 1 2链路层协议举例 平衡配置特点 只能是点对点工作 链路两端的两个站都是复合站 复合站同时具有主站和从站的功能 每个复合站都可以发送命令和响应 120 3 1 2链路层协议举例 HDLC三种基本数据传输模式 非平衡配置 有两种方式 正常响应方式NRM 其特点是只有主站才能发起向次站的数据传输 而次站只有在主站向它发送命令帧进行轮询时 才能以响应帧的形式回答主站 异步响应方式ARM 次站不需要等待主站发过来命令 而是可以主动向主站发送响应帧 平衡配置异步平衡方式ABM 即每个复合站都可以平等地发起数据传输 而不需要得到对方复合站的允许 121 3 1 2链路层协议举例 2 HDLC的帧结构数据链路层的数据传送以帧为单位 一个帧的结构具有固定的格式 从网络层交下来的分组 变成数据链路层的数据 被封装在信息字段 长度可变 在信息字段的首尾各加上24比特的控制信息 就构成了一个完整的帧 帧结构所具有的固定格式实现了控制信息与数据的分离 122 3 1 2链路层协议举例 HDLC帧各字段 标志字段F 帧同步 透明传输 帧同步 就是从收到的比特流中正确无误地判断出一个帧从那个比特开始以及到那个比特结束 HDLC规定的帧边界符 01111110 也称为标志字段 Flag 在接收端 只要找到标志字段就可以很容易地确定一个帧在比特流中的位置 帧的透明传输 在两个标志字段之间的比特串中 如果碰巧出现了和标志字段F一样的比特组合 就会被误认为是帧的边界 HDLC采用了零比特填充法来避免在帧的两个标志字段之间出现6个连续的 1 123 3 1 2链路层协议举例 零比特填充法 在发送端 对尚未加上标志字段的比特串进行扫描 每当发现5个连续的 1 就立即插入一个 0 这样经过零比特填充的数据 就可以保证不会出现6个连续的 1 在接收端 每收到一个帧 先找到标志字段以确定帧的边界 接着再对其中的比特流进行扫描 每当发现5个连续的 1 就将其后紧跟的 0 删去 还原成原来的比特流 124 3 1 2链路层协议举例 地址字段 Address 寻址 HDLC采用单地址方式 在使用非平衡方式传输数据时 地址字段总是写入次站的地址 在平衡方式时 地址字段总是填入确认站的地址 广播地址 11111111 无效地址 00000000 有效地址数 254个 125 3 1 2链路层协议举例 帧校验序列 FrameCheckSequence 差错控制 检验方法 CRC校验 检验范围 从地址字段的第一个比特起 到信息字段的最末一个比特止 信息字段 Information 信息传递 包含网络层的协议数据单元PDU 126 3 1 2链路层协议举例 控制字段C 共8位 是最复杂的字段 HDLC的许多重要功能都靠控制字段来实现 根据该字段最前面两位的取值 可将HDLC帧划分为三大类 信息帧I 监督帧S和无编号帧U N S N R N R